Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный профессионально-педагогический университет» ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ «ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ НА ПЛАТФОРМЕ ARDUINO» Выпускная квалификационная работа по направлению подготовки 44.03.04 Профессиональное обучение (по отраслям) профилю подготовки «Энергетика» профилизации «Компьютерные технологии автоматизации и управления» Идентификационный номер ВКР: 315 Екатеринбург 2017 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный профессионально-педагогический университет» Институт инженерно-педагогического образования Кафедра информационных систем и технологий К ЗАЩИТЕ ДОПУСКАЮ Заведующая кафедрой ИС Н. С. Толстова « » 2017 г. ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ «ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ НА ПЛАТФОРМЕ ARDUINO» Исполнитель: обучающийся группы № КТэ-402 К. П. Ушанов Руководитель: старший преподаватель Г. Л. Нечаева Нормоконтролер: старший преподаватель Т. В. Рыжкова Екатеринбург 2017 АННОТАЦИЯ Выпускная квалификационная работа состоит из лабораторного практикума «Основы программирования на платформе Arduino» и пояснительной записки на 61 странице, содержащей 36 рисунков, 4 таблицы и 25 источников литературы, а также же 1 приложение на 2 страницах. Ключевые слова: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ, ПРОГРАММИРОВАНИЕ, СРЕДА РАЗРАБОТКИ, ПЛАТФОРМА ARDUINO. Ушанов, К. П. Лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino»: Выпускная квалификационная работа / К. П. Ушанов; Рос. гос. проф.-пед. ун-т, Ин-т инж.-пед. образования, Каф. Информационных систем и технологий. — Екатеринбург, 2017. — 61 с. В работе рассмотрены основы изучения программирования Arduino; разработка лабораторного практикума; список использованных источников; приложение. Целью работы является разработка лабораторного практикума «Основы программирования на платформе Arduino». В соответствие с поставленной целью в работе решены следующие задачи: проведено сравнение сред разработки Arduino IDE и Turbo Pascal; сравнен синтаксис программного кода; представлены примеры написания программного кода в среде Arduino IDE и Turbo Pascal; изучены основы программирования на платформе Arduino; рассмотрены требования, к созданию лабораторного практикума; разработана структура и содержание лабораторного практикума; реализован лабораторный практикум. 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение ............................................................................................................... 4 1 Обучение основам робототехники ................................................................. 7 1.1 Изучение основ программирования Arduino .......................................... 8 1.2 Среда разработки Arduino IDE .............................................................. 12 1.3 Базовые правила синтаксиса языка C\C++ ........................................... 19 1.4 Применение Arduino в обучении прикладному программированию 33 2 Разработка лабораторного практикума «Основы программирования на платформе Arduino» .......................................................................................... 36 2.1 Лабораторный практикум в дополнительном образовании ............... 36 2.2 Требования к разработке лабораторного практикума ......................... 37 2.3 Способ реализации лабораторного практикума .................................. 39 2.4 Структура и содержание лабораторного практикума ......................... 41 2.5 Методические рекомендации к проведению лабораторного практикума ......................................................................................................... 54 Заключение ........................................................................................................ 56 Список использованных источников .............................................................. 57 Приложение ....................................................................................................... 60 3 ВВЕДЕНИЕ Появление первых микропроцессоров ознаменовало начало новой эры в развитии микропроцессорной техники. Наличие в одном корпусе большинства системных устройств, сделало микроконтроллер подобным обычному компьютеру. Раньше они назывались однокристальные микро- ЭВМ [15]. Чтобы собрать устройство и микроконтроллер, необходимо знать основы схемотехники, устройство и работу конкретного процессора, уметь программировать на ассемблере и изготавливать электронную тех- нику. В настоящее время, все изменилось. Сейчас существует такое устройство, как проект Arduino. Arduino представляет собой наборы, состоящие из готового элек- тронного блока и программного обеспечения. Электронный блок — это печатная плата с микроконтроллером и элементами, которые необходимы для работы. Вторая часть — это программное обеспечение для создания программ, включающее в себя простую среду разработки и язык програм- мирования C/C++ [15]. Актуальность выбранной темы заключается в обеспечении необхо- димости доступа к программированию и разработке робототехнических устройств не только профессионалам, но и заинтересованным обучающим- ся. Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. № 295 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Разви- тие образования» на 2013-2020 годы», одним из аспектов которого являет- ся развитие робототехники. Так же актуальность робототехники в совре- менное время. Широкий набор учебно-методических материалов, готовых модулей и библиотек программ позволит мотивировать начинающих поль- зователей к созданию различных робототехнических устройств в рамках данной программы. 4 Особенностью лабораторного практикума является ориентация его на старшеклассников и студентов младших курсов, обучающихся по программе дополнительного профессионального образования. В данном лабораторном практикуме будут рассмотрены такие лабораторные работы: 1. Знакомство со средой разработки Arduino IDE. Установка и начало работы. 2. Управление светодиодами средствами виртуальной среды Autodesk Circuits с применением условного оператора if. 3. Управление светодиодами с помощью кнопок средствами вирту- альной среды Autodesk Circuits» с применением условного оператора вы- бора case. 4. Управление RGB-светодиодом средствами виртуальной среды Autodesk Circuits» с применением цикла for. 5. Управление жидкокристаллическим дисплеем LCD 16x2 с при- менением оператора цикла while. 6. Мини-проект «Ультразвуковой дальномер». По итогам прохождения лабораторного практикума проверкой полученных знаний является самостоятельный проект с использованием представленных электронных компонентов. Объект исследования — процесс изучения основ программирования на платформе Arduino. Предмет исследования — лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino». Цель работы — разработать лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino». Педагогический адрес — практикум разработан для системы до- полнительного образования школьников старших классов и студентов младших курсов колледжей и техникумов, обучающихся в учебно- техническом центре ООО «Омега-1» г. Екатеринбурга. 5 В соответствие с поставленной целью в работе определены следующие задачи: 1. Провести сравнение сред разработки Arduino IDE и Turbo Pascal. 2. Сравнить синтаксис программного кода, представить примеры написания программного кода в среде Arduino IDE и Turbo Pascal. 3. Изучить основы программирования на платформе Arduino. 4. Рассмотреть требования, предъявляемые к созданию лаборатор- ного практикума. 5. Разработать структуру и содержание лабораторного практикума. 6. Реализовать лабораторный практикум. Новизна выпускной квалификационной работы лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino», которая будет применяться в системе дополнительного образования, состоит в том, что был разработан лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino» в сравнении с курсом «Основы программирования Turbo Pascal» и адаптирован для учебно-технического центра «Омега-1». 6 1 ОБУЧЕНИЕ ОСНОВАМ РОБОТОТЕХНИКИ Робототехника — область науки и техники, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем [4]. Робототехника возникла на основе мехатроники и кибернетики подразумевает знание механики, электроники, программирования. Является универсальным инструментом для образования. Вписывается в дополнительное образование, в преподавание предметов школьной программы, в четком соответствии с ФГОС [21]. Предмет робототехники — это создание и применение роботов и других средств робототехники различного назначения. Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника в свою очередь породила новые направления развития и самих этих наук. Для кибернетики это связано, прежде всего, с интеллектуальным управлением, которое требуется для роботов, а для механики с – многозвенными механизмами типа манипуляторов [25]. Робототехника является одним из важнейших направлений научно- технического прогресса (НТП), в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта [3]. В настоящее время проблемы робототехники рассматриваются более масштабно. Происходит внедрение в учебный процесс, организовываются соревнования, конкурсы, обмен новыми идеями, знаниями, технической информацией и поддерживается государственной программой «Развитие образования» на 2013-2020 годы. Современные общество старается внедрить роботов в повседневную жизнь путем применения роботов в различных сферах жизни, а так же заменить, усовершенствовать и модернизировать различные процессы жизни. А это значит, что люди, обладающие знаниями робототехники, 7 программирования остаются востребованными на рынке труда. Следовательно, вопрос внедрения робототехники актуален. Применяются различные специальные робототехнические комплексы [17]: • Lego Mindstorms. Специальный конструктор нового поколения; • Конструктор Fischertechnik. Данный конструктор является разви- вающим. Он подходит как для детей, так и для подростков и студентов; • Scratch Board; • Arduino; • Конструкторы УМКИ. Такие модули оснащены микропроцессо- ром, а также наборами датчиков. Лабораторный практикум «Основы программирования на платформе Arduino» адаптирован для системы дополнительного образования и предназначен для школьников старших классов и студентов младших курсов колледжей и техникумов, обучающихся в учебно-техническом центре ООО «Омега-1» г. Екатеринбурга и предполагает последовательное изучение языков программирования, начиная от курса «Основы программирования Turbo Pascal», до языков объектно-ориентированного программирования. 1.1 Изучение основ программирования Arduino Особенности преподавания программирования в вузах, учебных центрах требуют достаточного и прочного усвоения базовых знаний. В настоящее время профессиональная подготовка в области программирования сталкивается с проблемой недостатка учебного времени, слабой подготовкой и высокими требованиями на рынке труда. Путь решения проблемы — это формирование достаточной мотивации у обучающихся [12]. 8 С течением времени интерес к программированию продолжает расти, так как специальность программиста является очень востребованной не только в России, но и во многих других странах. Программа — это описание процесса обработки информации. При выполнении программы рассчитывается совокупность выходных значений исходя из совокупности переменных или постоянных входных значений. Цель выполнения программы — сбор данных либо получение отклика на входные значения [18]. Программа состоит из строк текста. Каждая строка содержит один или несколько арифметических или управляющих операторов. Компьютерная программа — это четко формализованный план, состоящий из команд для контроллера (системы принятия решений). Контроллер поочередно читает команды и исполняет [10]. Команды внутри любого цифрового устройства, например, Arduino, закодированы нулями и единицами, а называется это двоичным представлением чисел, то есть вся информация перед поступлением в контроллер перекодируется из привычной для нас десятичной системы счисления в двоичную. Таким образом, при выполнении логических или арифметических операций контроллер сравнивает, делит, вычитает, выполняет прочие действия именно над двоичными числами. Эти числа хранятся в последовательных ячейках памяти, имеющие определенные адреса. При поступлении питания на контроллер Arduino автоматически начинается выполнение той программы, которая была в него загружена, если же программа отсутствует или написана некорректно, то происходит сбой, который либо останавливает выполнение команд, либо приводит к зависанию программы. Номер выполняемой программа хранится в специальной ячейке памяти, которая называется счетчиком команд [10]. Этот номер изменяется на следующий при выполнении арифметической операции, но может измениться и на любой адрес, если выполнялась 9